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Comment les arbres soulèvent-ils l'eau à plus de 10 mètres ?

Comment les arbres soulèvent-ils l'eau à plus de 10 mètres ?


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La pression atmosphérique est de 10 mètres d'eau (environ). Cela signifie qu'il est impossible de soulever de l'eau à plus de 10 mètres avec le vide ou l'action capillaire (sur Terre, dans des conditions normales).

Il y a des arbres de plus de 10 mètres.

Comment soulèvent-ils l'eau jusqu'à leurs sommets ?

METTRE À JOUR

En d'autres termes : comment la théorie de la cohésion-tension peut-elle être vraie si elle contredit apparemment les lois de la physique ?

MISE À JOUR 2

La pression atmosphérique aide à faire monter l'eau, ne résiste pas à la montée. Ce qui résiste, c'est le poids de l'eau. Lorsque la colonne d'eau atteint 10 mètres de haut, la pression atmosphérique ne peut plus aider.

Aucun mécanisme d'adhésion/cohésion ne peut aider ici aussi, car il n'agit qu'en fine couche moléculaire. Pour transférer davantage la force d'action, la pression est nécessaire, ce qui est insuffisant à 10 mètres.

MISE À JOUR 3

Si nous avions un capillaire assez petit pour monter l'eau à 10 mètres et que nous construisions un capillaire plus petit qui, nous nous attendons, fera monter l'eau plus haut, nous échouerons. La colonne d'eau se brisera et ne grimpera pas à plus de 10 mètres.

Menisci agit comme un petit piston et ne peut s'empêcher de monter des eaux à plus de 10 mètres.

MISE À JOUR 4

La distribution de pression commune dans le capillaire est la suivante :

$P_0$ est la pression atmosphérique. Comme vous le voyez, juste sous les ménisques, la pression est abaissée de $2 sigma / R$ où $R$ est le rayon des ménisques et $sigma$ est la tension superficielle. L'ensemble du terme est appelé "pression de Laplace". Comme vous le voyez, il ne peut pas remplacer la pression atmosphérique, car la continuité de l'eau sera rompue dans le cas.

C'est à dire. aucun ménisque ne peut monter l'eau à plus de 10 mètres.

L'existence d'arbres supérieurs PROUVE qu'il existe d'autres mécanismes importants, pas d'adhésion/cohésion, pas capillaire.

MISE À JOUR 5

La version actuelle, telle que je l'ai comprise, est basée sur une déclaration selon laquelle une eau, si elle est mise dans un capillaire mince, peut se comporter comme un corps solide. En particulier, il peut résister à des tensions jusqu'à moins 15 atmosphères.

C'est un résistance à la traction du béton, donc je ne le crois pas sans preuves supplémentaires.

Je pense qu'il n'est tout simplement pas difficile de fabriquer un tube mince, d'y mettre de l'eau et de vérifier à quelle hauteur il peut grimper.

Cela a-t-il déjà été fait ?


Avis de non-responsabilité : ce n'est pas mon domaine de recherche.


Premièrement, ce n'est pas une réponse complète à notre question. Une belle explication de l'hypothèse actuelle du transport de l'eau dans les arbres (théorie de la cohésion-tension de Dixon-Joly, initialement proposée en 1894) peut être trouvée sur L'étonnante physique de l'eau dans les arbres mais aussi dans Tyree (1997). Les points clés sont que la stomie (pores à la surface des feuilles) est si petite que les ménisques peuvent résister à d'énormes colonnes d'eau, que l'eau a de fortes forces de cohésion et que l'eau est transportée en utilisant la pression négative créée par la transpiration. La page Web liée ci-dessus contient une belle visualisation de la façon dont les multitudes de stomates et de ménisques créent de fortes pressions négatives :

Deuxièmement, une grande partie de la discussion actuelle dans les commentaires (une indication que la question pourrait être mal adaptée à Bio-SE?) Caupin & Herbert (2006) examinent la métastabilité et la cavitation dans l'eau (dans une revue de physique) et contiennent des résultats expérimentaux sur les pressions négatives dans l'eau. L'article fait référence à un grand nombre d'expériences dans diverses configurations expérimentales (je ne peux pas les juger équitablement). Dans leur conclusion, ils déclarent que :

Parmi les innombrables expériences de cavitation, seules celles qui portent une attention particulière à la pureté de l'eau peuvent atteindre des pressions négatives importantes ; avec des techniques variées, ils obtiennent tous un Pcav autour de -25 MPa à température ambiante (cf. Fig. 3 (b)), ce qui est très éloigné de la valeur théorique (de -120 à -140 MPa). Il existe une exception notable : les expériences avec des inclusions minérales atteignent -140 MPa. L'écart important entre ces données requiert une attention particulière.

Donc, fondamentalement, les estimations théoriques se situent à -130MPa et les résultats empiriques à -25MPa (-250 atmosphères), et l'eau peut clairement atteindre des pressions négatives importantes. Cela signifierait également que les estimations actuelles sont beaucoup plus importantes que ce qui est nécessaire pour que la théorie de la cohésion-tension fonctionne (pression atmosphérique = 0,1 MPa, pression négative dans la colonne d'eau à 50 m ~ -0,5 MPa).

Ils ont également une section traitant spécifiquement des arbres :

7.1. L'eau dans la nature
La loi de l'hydrostatique nous enseigne que la perte de charge dans une colonne d'eau de 10,2 m est de 0,1 MPa. Cela montre que des pressions négatives peuvent être atteintes dans la sève ascendante des grands arbres. En effet des effets supplémentaires (écoulement visqueux, sécheresse) rendent la pression dans la sève négative même à des hauteurs plus faibles. La théorie cohésion-tension, proposée pour la première fois par Dixon et Jolly [56], explique que la colonne de sève est maintenue au sommet par le ménisque dans le pore des feuilles : par la loi de Laplace, la courbure du ménisque permet un saut de pression entre l'extérieur pression de l'air et la pression négative dans la sève. Les arbres contiennent donc de grandes quantités de liquides métastables. Une cavitation peut parfois se produire, perturbant la colonne de liquide et arrêtant l'écoulement (embolie de xylème). L'architecture hydraulique complexe des arbres limite les dégâts, et des stratégies existent pour recharger les canaux du xylème embolie. De nombreux travaux ont été consacrés à ce sujet et sont examinés dans les réfs. [110,111].

Il existe également des preuves que le risque d'embolie du xylème augmente avec la hauteur des arbres, ce qui crée un compromis entre l'efficacité du transport de l'eau et les adaptations structurelles pour faire face à l'embolie (Domec et al. 2008). Ceci est par exemple facilité par le diamètre de l'ouverture de la fosse des trachéides, les ouvertures diminuant avec la hauteur le long d'un arbre, provoquant une résistance accrue à l'embolie mais en même temps une conductance de l'eau plus faible. Cela limitera clairement la hauteur des arbres, et le document indique que les plus grands sapins de Douglas sont à la limite de ce qu'ils peuvent réaliser.

Un autre article récemment publié qui devrait être pertinent est 'Méthodes de mesure de la vulnérabilité des plantes à la cavitation : une revue critique' par Cochard et al. (2013), mais je n'ai pas eu le temps d'y regarder de près. Voir résumé ci-dessous :

Résumé:
La résistance à la cavitation du xylème a des implications profondes pour la physiologie et l'écologie des plantes. Ce processus est caractérisé par une « courbe de vulnérabilité » (VC) montrant la variation du pourcentage de cavitation en fonction du potentiel de pression du xylème. La forme de cette VC varie de « sigmoïde » à « exponentielle ». Cette revue offre un panorama des techniques qui ont été utilisées pour générer une telle courbe. Les techniques diffèrent par (i) la manière dont la cavitation est induite (par exemple, déshydratation sur banc, centrifugation ou injection d'air), et (ii) la manière dont la cavitation est mesurée (par exemple, pourcentage de perte de conductivité (PLC) ou d'émission acoustique), et une nomenclature est proposé sur la base de ces deux méthodes. Une étude de la littérature de plus de 1200 CV a été utilisée pour dresser des statistiques sur l'utilisation de ces méthodes et sur leur fiabilité et validité. Quatre méthodes ont représenté plus de 96 % de toutes les courbes produites à ce jour : banc de déshydratation-PLC, centrifugation-PLC, manchon de pression-PLC et Cavitron. La façon dont la forme des CV varie selon les techniques et l'anatomie du xylème des espèces a également été analysée. De manière frappante, il a été constaté que la grande majorité des courbes obtenues avec la méthode de référence de déshydratation sur banc-PLC sont « sigmoïdes ». Les courbes « exponentielles » étaient plus typiques des trois autres méthodes et étaient remarquablement fréquentes pour les espèces ayant de grands conduits de xylème (anneau poreux), conduisant à une surestimation substantielle de la vulnérabilité de la cavitation pour ce groupe fonctionnel. Nous soupçonnons que les courbes « exponentielles » peuvent refléter un artefact à récipient ouvert et appellent à plus de précautions avec l'utilisation du manchon de pression et des techniques de centrifugation.


Autre avertissement : ce n'est pas mon domaine et je ne suis pas compétent pour juger du contenu de l'article que je porte à votre connaissance.

J'ai dit plus haut que je n'apporterais pas une autre contribution, mais j'ai trouvé quelque chose d'autre à partager dans ce contexte et qui complète la réponse de @fileunderwater

Wang Z et al. (2012) Montée capillaire dans un microcanal de forme et de mouillabilité arbitraires : boucle d'hystérésis. Langmuir 28 : 16917-16926

Cet article comprend la modélisation, les calculs d'énergie libre et l'expérimentation sur ce problème. Les maths me dépassent de loin, mais ils arrivent à une conclusion très intéressante, à savoir que bien qu'un arbre ne puisse pas partir d'une position sans liquide dans le xylème puis se remplir jusqu'au sommet, il peut commencer très petit et pousser au-delà de la hauteur qui peut être maintenue par simple capillarité et jusqu'à 100 m tant que la colonne d'eau n'est jamais rompue.

Le papier est derrière un paywall, mais je reproduis ci-dessous ce qui est essentiellement la section de discussion. Bien que cela donne un avant-goût de l'ouvrage, je dois souligner qu'il présente un traitement théorique très turgescent du problème et qu'il vaut bien le coup d'œil.

V. IMPLICATION POUR LE TRANSPORT DE L'EAU JUSQU'À LA SOMME DES GRANDS ARBRES La plupart des physiologistes des plantes acceptent la « théorie de la cohésion-tension » comme explication de l'ascension de la sève.26 Dans cette théorie qualitative, le mouvement de l'eau dépend de trois propriétés physico-chimiques importantes. d'eau, qui correspondent respectivement à la remontée capillaire (cohésion), à la cavitation (tension) et à la paroi hydratée (faible angle de contact). Dans cette section, nous nous concentrons uniquement sur l'implication de l'équilibre général des forces et de l'hystérésis de boucle dans la remontée capillaire d'un grand arbre. La hauteur à laquelle l'eau monte dans un arbre dépend de la taille des conduits de transport. Si l'on coupe un arbre et que l'on regarde à l'intérieur, les dimensions capillaires des conduits relativement gros (le tube du xylème) sont de l'ordre de 100 µm.27 En conséquence, la remontée capillaire est d'environ 0,1 m. Si la pression capillaire à elle seule devait expliquer la montée des eaux jusqu'à la cime d'un arbre de 100 m de haut, comme les séquoias côtiers de Californie, un rayon capillaire d'environ 100 nm est nécessaire. Il a été suggéré que la dimension capillaire pertinente est les interfaces air-eau dans les parois cellulaires des feuilles les plus hautes. La matrice de microfibrilles de cellulose est très mouillable, et l'espacement entre elles donne des diamètres de pores effectifs d'environ 10 nm. On a fait remarquer qu'il n'est pas nécessaire que le capillaire ait un petit alésage sur toute sa longueur. Seul l'alésage au ménisque (c'est-à-dire dans la feuille supérieure) est pertinent.27 Cette conséquence a été prouvée dans notre expression générale de l'équilibre des forces, éq 4. Notez qu'un microcanal contenant des coins ou des cuspides sur sa section transversale n'est pas considéré dans la dérivation de l'équation 4. Les filaments liquides s'étendent à l'infini dans les coins ou les cuspides.28 Néanmoins, l'élévation de la colonne de liquide est toujours inversement proportionnelle à la dimension caractéristique de la section transversale du tube. Pour les solutions satisfaisant le bilan des forces, il existe néanmoins le problème de la stabilité physique. Un petit trou à la feuille supérieure relié à un conduit de xylème plus large révèle la présence d'un micro-canal convergent. En conséquence, plusieurs hauteurs stables sont possibles, comme décrit dans les analyses susmentionnées. Cependant, l'état final dépend de la condition initiale. Le liquide s'élèvera à une hauteur stable correspondant au conduit de xylème plus grand si le microcanal est initialement vide. En d'autres termes, le liquide ne s'élèvera pas de lui-même jusqu'à la hauteur stable près du sommet du canal convergent car il ne pourra pas traverser le plus grand conduit du canal. Cette situation est néanmoins stable si le liquide est aspiré vers le haut puis l'aspiration est supprimée. Comment un grand arbre acquiert-il des pressions négatives (d'aspiration) aussi importantes d'en haut ? Comme démontré dans nos expériences, la montée progressive d'un cône initialement immergé est capable de maintenir la stabilité du ménisque au sommet du cône tronqué tant que l'équilibre des forces est satisfait. Notez que l'angle de contact à proximité de l'embouchure des petits pores peut être ajusté pour atteindre l'équilibre des forces lorsque le microcanal n'est pas assez haut. La croissance lente de l'arbre peut être considérée comme une montée progressive du canal convergent. Tant que le transport de l'eau vers les pores des feuilles supérieures n'est pas interrompu tout au long de la croissance de l'arbre jusqu'à 100 m, cette hauteur stable peut être atteinte sans recourir à la succion.


Voici Veritasium sur youtube a une explication qui est la même que le commentaire de @AlanBoyd.

Le liquide méta-stable peut avoir une pression négative.


L'article suivant a passé en revue les travaux sur l'exploration de l'eau à pression négative, depuis la première tentative il y a cent ans, lorsque la plus grande tension atteinte était de -3,4 MPa @ 24 degC, jusqu'à la mesure la plus récente de l'eau à température ambiante jusqu'à -26 MPa :

http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/72/64/37/PDF/Caupin-JPCondensedMatter-2012.pdf

Par conséquent, les arbres peuvent soulever l'eau à plus de 10 mètres car l'eau est tirée par une pression négative au sommet (théorie de la cohésion-tension CTT). La tension nécessaire pour faire monter l'eau jusqu'aux arbres les plus hauts est de -1,2 MPa, ce qui est très plausible, puisqu'elle est inférieure à la valeur mesurée il y a cent ans.


Comment les arbres soulèvent-ils l'eau à plus de 10 mètres ? - La biologie

Les plantes sont des ingénieurs hydrauliques phénoménaux. En utilisant uniquement les lois de base de la physique et la simple manipulation de l'énergie potentielle, les plantes peuvent déplacer l'eau jusqu'au sommet d'un arbre de 116 mètres de haut (figure 1a). Les plantes peuvent également utiliser l'hydraulique pour générer suffisamment de force pour fendre les roches et déformer les trottoirs (figure 1b). Les plantes y parviennent grâce au potentiel hydrique.

Figure 1. Avec des hauteurs proches de 116 mètres, (a) des séquoias côtiers (Séquoia sempervirens) sont les arbres les plus hauts du monde. Les racines des plantes peuvent facilement générer suffisamment de force pour (b) se déformer et casser les trottoirs en béton, à la grande consternation des propriétaires et des services d'entretien de la ville. (crédit a : modification du travail par Bernt Rostad crédit b : modification du travail par Pedestrians Educating Drivers on Safety, Inc.)

Potentiel hydrique est une mesure de l'énergie potentielle dans l'eau. Les physiologistes des plantes ne s'intéressent pas à l'énergie d'un système aqueux particulier, mais sont très intéressés par le mouvement de l'eau entre deux systèmes. En termes pratiques, le potentiel de l'eau est donc la différence d'énergie potentielle entre un échantillon d'eau donné et de l'eau pure (à pression atmosphérique et température ambiante). Le potentiel de l'eau est désigné par la lettre grecque (psi) et est exprimé en unités de pression (la pression est une forme d'énergie) appelée mégapascals (MPa). Le potentiel de l'eau pure (Ψw H pur2O ) est, par commodité de définition, désigné une valeur de zéro (même si l'eau pure contient beaucoup d'énergie potentielle, cette énergie est ignorée). Les valeurs de potentiel hydrique pour l'eau d'une racine, d'une tige ou d'une feuille de plante sont donc exprimées par rapport à Ψw H pur2O.

Le potentiel hydrique des solutions végétales est influencé par la concentration de soluté, la pression, la gravité et des facteurs appelés effets de matrice. Le potentiel hydrique peut être décomposé en ses composants individuels à l'aide de l'équation suivante :

s,p,g, et m se réfèrent respectivement aux potentiels de soluté, de pression, de gravité et matriciel. « Système » peut faire référence au potentiel hydrique de l'eau du sol (Ψ sol ), de l'eau des racines (Ψ racine ), de l'eau de la tige (Ψ tige ), de l'eau des feuilles (Ψ feuille ) ou de l'eau dans l'atmosphère (Ψ atmosphère ) : selon système aqueux est à l'étude. Au fur et à mesure que les composants individuels changent, ils augmentent ou diminuent le potentiel hydrique total d'un système. Lorsque cela se produit, l'eau se déplace pour s'équilibrer, se déplaçant du système ou du compartiment avec un potentiel hydrique plus élevé vers le système ou le compartiment avec un potentiel hydrique plus faible. Cela ramène la différence de potentiel hydrique entre les deux systèmes (ΔΨ) à zéro (ΔΨ = 0). Par conséquent, pour que l'eau traverse la plante du sol à l'air (un processus appelé transpiration),Ψ le sol doit être >Ψ racine >Ψ tige >Ψ feuille >Ψ atmosphère .

L'eau ne se déplace qu'en réponse à ΔΨ, pas en réponse aux composants individuels. Cependant, étant donné que les composants individuels influencent le total Ψsystème, en manipulant les composants individuels (en particulier Ψs), une plante peut contrôler le mouvement de l'eau.


Pression, gravité et potentiel matriciel

Le potentiel hydrique est affecté par des facteurs tels que la pression, la gravité et les potentiels matriciels.

Objectifs d'apprentissage

Différencier entre la pression, la gravité et les potentiels matriciels dans les plantes

Points clés à retenir

Points clés

  • Plus le potentiel de pression (Ψp), plus il y a d'énergie potentielle dans un système : un Ψ positifp augmentele total, tandis qu'un négatifp diminuele total.
  • La pression positive à l'intérieur des cellules est contenue par la paroi cellulaire, produisant une pression de turgescence, qui est responsable du maintien de la structure des feuilles. L'absence de pression de turgescence provoque le flétrissement.
  • Les plantes perdent de l'eau (et la pression de turgescence) via la transpiration à travers les stomates dans les feuilles et la reconstituent via une pression positive dans les racines.
  • Le potentiel de pression est contrôlé par le potentiel de soluté (lorsque le potentiel de soluté diminue, le potentiel de pression augmente) et l'ouverture et la fermeture des stomates.
  • Potentiel de gravité (Ψg) supprime l'énergie potentielle du système parce que la gravité tire l'eau vers le sol, réduisant Ψle total.
  • Potentiel matriciel (Ψm) supprime l'énergie du système car les molécules d'eau se lient à la matrice cellulosique des parois cellulaires de la plante.

Mots clés

  • pression de turgescence: pousse la membrane plasmique contre la paroi cellulaire de la plante causée par le flux osmotique de l'eau de l'extérieur de la cellule dans la vacuole de la cellule

Potentiel de pression

Le potentiel de pression est également appelé potentiel de turgescence ou pression de turgescence et est représenté par Ψp. Le potentiel de pression peut être positif ou négatif, plus la pression est élevée, plus l'énergie potentielle d'un système est élevée, et vice versa. Par conséquent, un positifp (compression) augmentele total, tandis qu'un négatifp (la tension) diminuele total. La pression positive à l'intérieur des cellules est contenue par la paroi cellulaire, produisant une pression de turgescence dans une plante. La pression de turgescence garantit qu'une plante peut conserver sa forme. Les feuilles d'une plante se fanent lorsque la pression de turgescence diminue et revivent lorsque la plante a été arrosée. Les potentiels de pression sont généralement d'environ 0,6 à 0,8 MPa, mais peuvent atteindre 1,5 MPa dans une plante bien arrosée. À titre de comparaison, la plupart des pneus automobiles sont maintenus à une pression de 30 à 34 psi ou environ 0,207 à 0,234 MPa. L'eau est perdue par les feuilles par transpiration (environ Ψp = 0 MPa au point de flétrissement) et restaurée par absorption via les racines.

Pression de turgescence: Lorsque (a) le potentiel hydrique total (Ψtotal) est plus faible à l'extérieur des cellules qu'à l'intérieur, l'eau sort des cellules et la plante se flétrit. Lorsque (b) le potentiel hydrique total est plus élevé à l'extérieur des cellules végétales qu'à l'intérieur, l'eau pénètre dans les cellules, ce qui entraîne une pression de turgescence (Ψp), maintenant la plante dressée.

Une plante peut manipuler Ψp via sa capacité à manipuler Ψs (potentiel soluté) et par le processus d'osmose. Les plantes doivent surmonter les forces négatives du potentiel de gravité (Ψg) et du potentiel matriciel (Ψm) pour maintenir un potentiel de pression positif. Si une cellule végétale augmente la concentration en soluté cytoplasmique :

  1. ??s déclinera
  2. ??le total déclinera
  3. le entre la cellule et le tissu environnant diminuera
  4. l'eau va entrer dans la cellule par osmose
  5. ??p augmentera.

Les plantes peuvent aussi régulerp en ouvrant et fermant les stomates. Les ouvertures des stomates permettent à l'eau de s'évaporer de la feuille, réduisant Ψp etle total. Cela augmente le potentiel hydrique entre l'eau dans le pétiole (base de la feuille) et dans la feuille, encourageant ainsi l'eau à s'écouler du pétiole dans la feuille.

Potentiel de gravité

Potentiel de gravité (Ψg) est toujours négatif ou nul dans une plante sans hauteur. Sans hauteur, il n'y a pas d'énergie potentielle dans le système. La force de gravité tire l'eau vers le sol, ce qui réduit la quantité totale d'énergie potentielle dans l'eau de la plante (Ψle total). Plus la plante est haute, plus la colonne d'eau est haute et plus influenteg devient. A l'échelle cellulaire et chez les plantes courtes, cet effet est négligeable et facilement ignoré. Cependant, sur la hauteur d'un grand arbre comme un séquoia côtier géant, la plante doit surmonter 1 MPa de résistance supplémentaire en raison de l'attraction gravitationnelle de –0,1 MPa m -1 .

Potentiel matriciel

Potentiel matriciel (Ψm) est la quantité d'eau liée à la matrice d'une plante via des liaisons hydrogène et est toujours négative à zéro. Dans un système sec, il peut être aussi bas que -2 MPa dans une graine sèche ou aussi élevé que zéro dans un système saturé en eau. Chaque cellule végétale a une paroi cellulaire cellulosique, qui est hydrophile et fournit une matrice pour l'adhérence de l'eau, d'où le nom de potentiel matriciel. La liaison de l'eau à une matrice supprime ou consomme toujours de l'énergie potentielle du système. ??m est similaire au potentiel de soluté car les liaisons hydrogène retirent de l'énergie du système total. Cependant, dans le potentiel de soluté, les autres composants sont des molécules de soluté hydrophiles solubles, alors que dans Ψm, les autres composants sont des molécules hydrophiles insolubles de la paroi cellulaire végétale. m ne peut pas être manipulé par la plante et est généralement ignoré dans les racines, les tiges et les feuilles bien arrosées.


Mouvement de l'eau contre la gravité

Comment l'eau est-elle transportée vers le haut d'une plante contre la gravité, lorsqu'il n'y a pas de « pompe » pour déplacer l'eau à travers les tissus vasculaires d'une plante ? Il existe trois hypothèses qui expliquent le mouvement de l'eau dans une plante contre la gravité. Ces hypothèses ne s'excluent pas mutuellement et contribuent chacune au mouvement de l'eau dans une plante, mais une seule peut expliquer la hauteur des grands arbres :

  1. Pression racinaire fait monter l'eau
  2. Capillarité aspire l'eau dans le xylème
  3. Cohésion-tension tire l'eau jusqu'au xylème

Nous examinerons chacun d'eux à tour de rôle.

Pression racinaire repose sur une pression positive qui se forme dans les racines lorsque l'eau pénètre dans les racines depuis le sol. L'eau pénètre dans les racines depuis le sol par osmose, en raison du faible potentiel de soluté dans les racines (s plus faible dans les racines que dans le sol). Cet apport d'eau dans les racines augmente p dans le xylème racinaire, faisant monter l'eau. Dans des circonstances extrêmes, la pression des racines entraîne guttation, ou sécrétion de gouttelettes d'eau des stomates dans les feuilles. Cependant, la pression des racines ne peut déplacer l'eau contre la gravité que de quelques mètres, elle n'est donc pas assez forte pour déplacer l'eau jusqu'à la hauteur d'un grand arbre.

Capillarité ou la capillarité est la tendance d'un liquide à se déplacer contre la gravité lorsqu'il est confiné dans un tube étroit (capillaire). La capillarité est due à trois propriétés de l'eau :

  1. Tension superficielle, qui se produit parce que la liaison hydrogène entre les molécules d'eau est plus forte à l'interface air-eau qu'entre les molécules dans l'eau.
  2. Adhésion, qui est l'attraction moléculaire entre des molécules « contrairement à 8221 ». Dans le cas du xylème, l'adhésion se produit entre les molécules d'eau et les molécules des parois cellulaires du xylème.
  3. Cohésion, qui est l'attraction moléculaire entre des molécules « similaires ». Dans l'eau, la cohésion se produit en raison de la liaison hydrogène entre les molécules d'eau.

À elle seule, la capillarité peut bien fonctionner dans une tige verticale jusqu'à environ 1 mètre, elle n'est donc pas assez forte pour faire monter l'eau dans un grand arbre.

Cette vidéo donne un aperçu des propriétés importantes de l'eau qui facilitent ce mouvement :

Les cadhérence-tension est le modèle le plus largement accepté pour le mouvement de l'eau dans les plantes vasculaires. La cohésion-tension combine essentiellement le processus d'action capillaire avec transpiration, ou l'évaporation de l'eau des stomates de la plante. La transpiration est finalement le principal moteur du mouvement de l'eau dans le xylème. Le modèle cohésion-tension fonctionne comme ceci :

  1. Transpiration (évaporation) se produit parce que les stomates sont ouverts pour permettre l'échange de gaz pour la photosynthèse. Au fur et à mesure que la transpiration se produit, elle approfondit le ménisque de l'eau dans la feuille, créant une pression négative (également appelée tension ou aspiration).
  2. Les tension créé par la transpiration "attire l'eau dans le xylème de la plante, tirant l'eau vers le haut de la même manière que vous tirez l'eau vers le haut lorsque vous sucez une paille.
  3. Cohésion (l'eau se colle les unes aux autres) fait que plus de molécules d'eau remplissent l'espace dans le xylème lorsque l'eau la plus élevée est attirée vers les stomates.

Voici un peu plus de détails sur le fonctionnement de ce processus : À l'intérieur de la feuille au niveau cellulaire, l'eau à la surface des cellules du mésophylle sature les microfibrilles de cellulose de la paroi cellulaire primaire. La feuille contient de nombreux grands espaces d'air intercellulaires pour l'échange d'oxygène contre du dioxyde de carbone, nécessaire à la photosynthèse. La paroi cellulaire humide est exposée à cet espace d'air interne de la feuille, et l'eau à la surface des cellules s'évapore dans les espaces d'air, diminuant le film mince à la surface des cellules du mésophylle. Cette diminution crée une plus grande tension sur l'eau dans les cellules du mésophylle, augmentant ainsi l'attraction de l'eau dans les vaisseaux du xylème. Les vaisseaux du xylème et les trachéides sont structurellement adaptés pour faire face à de grands changements de pression. Les anneaux dans les récipients conservent leur forme tubulaire, tout comme les anneaux d'un tuyau d'aspirateur maintiennent le tuyau ouvert lorsqu'il est sous pression. De petites perforations entre les éléments de la cuve réduisent le nombre et la taille des bulles de gaz qui peuvent se former via un processus appelé cavitation. La formation de bulles de gaz dans le xylème interrompt le flux continu d'eau de la base au sommet de la plante, provoquant une rupture appelée embolie dans le flux de sève du xylème. Plus l'arbre est grand, plus les forces de tension nécessaires pour tirer l'eau sont importantes et plus il y a d'événements de cavitation. Dans les arbres plus grands, les embolies résultantes peuvent boucher les vaisseaux du xylème, les rendant non fonctionnels.

La théorie de la cohésion-tension de l'ascension de la sève est montrée. L'évaporation des cellules du mésophylle produit un gradient de potentiel hydrique négatif qui fait monter l'eau des racines à travers le xylème. Crédit image : OpenStax Biology

Cette vidéo donne un aperçu des différents processus qui provoquent le déplacement de l'eau dans une plante (utilisez ce lien pour regardez cette vidéo sur YouTube, s'il n'est pas lu à partir de la vidéo intégrée) :


La fonte de la calotte glaciaire de l'Antarctique élève le niveau de la mer plus haut que prévu, selon une étude

Ceci a été pris dans la mer de Scotia lors de la campagne de carottage en 2007. Crédit : Michael Weber

L'élévation mondiale du niveau de la mer associée à l'effondrement possible de la calotte glaciaire de l'Antarctique occidental a été considérablement sous-estimée dans les études précédentes, ce qui signifie que le niveau de la mer dans un monde en réchauffement sera plus élevé que prévu, selon une nouvelle étude de chercheurs de Harvard.

Le rapport, publié en Avancées scientifiques, présente de nouveaux calculs pour ce que les chercheurs appellent un mécanisme d'expulsion de l'eau. Cela se produit lorsque le substrat rocheux solide sur lequel repose la calotte glaciaire de l'Antarctique occidental rebondit vers le haut à mesure que la glace fond et que le poids total de la calotte glaciaire diminue. Le substrat rocheux se trouve sous le niveau de la mer, donc lorsqu'il s'élève, il pousse l'eau de la zone environnante dans l'océan, ce qui accroît l'élévation du niveau mondial de la mer.

Les nouvelles prédictions montrent qu'en cas d'effondrement total de la calotte glaciaire, les estimations de l'élévation du niveau de la mer à l'échelle mondiale seraient amplifiées d'un mètre supplémentaire d'ici 1 000 ans.

"L'ampleur de l'effet nous a choqués", a déclaré Linda Pan, doctorante. en sciences de la terre et des planètes au GSAS qui a codirigé l'étude avec une autre étudiante diplômée Evelyn Powell. "Des études précédentes qui avaient considéré le mécanisme l'ont rejeté comme sans conséquence."

"Si la calotte glaciaire de l'Antarctique occidental s'effondrait, l'estimation la plus largement citée de l'élévation du niveau moyen mondial de la mer qui en résulterait serait de 3,2 mètres", a déclaré Powell. "Ce que nous avons montré, c'est que le mécanisme d'expulsion de l'eau ajoutera un mètre supplémentaire, ou 30%, au total."

Mais ce n'est pas seulement une histoire d'impact qui se fera sentir dans des centaines d'années. L'une des simulations effectuées par Pan et Powell indiquait que d'ici la fin de ce siècle, l'élévation du niveau mondial de la mer causée par la fonte de la calotte glaciaire de l'Antarctique occidental augmenterait de 20 pour cent par le mécanisme d'expulsion de l'eau.

« Chaque projection publiée de l'élévation du niveau de la mer due à la fonte de la calotte glaciaire de l'Antarctique occidental qui a été basée sur la modélisation du climat, que la projection s'étende jusqu'à la fin de ce siècle ou plus dans le futur, devra être révisée à la hausse car de leur travail », a déclaré Jerry X. Mitrovica, professeur de sciences Frank B. Baird Jr. au Département des sciences de la Terre et des planètes et auteur principal de l'article. "Chacun."

Pan et Powell, tous deux chercheurs du laboratoire de Mitrovica, ont commencé cette recherche alors qu'ils travaillaient sur un autre projet de changement du niveau de la mer, mais sont passés à celui-ci lorsqu'ils ont remarqué plus d'expulsion d'eau de la calotte glaciaire de l'Antarctique occidental qu'ils ne s'y attendaient.

Les chercheurs voulaient étudier comment le mécanisme d'expulsion affectait le changement du niveau de la mer lorsque la faible viscosité ou le matériau fluide du manteau terrestre sous l'Antarctique occidental est pris en compte. Lorsqu'ils ont intégré cette faible viscosité dans leurs calculs, ils ont réalisé que l'expulsion de l'eau se produisait beaucoup plus rapidement que les modèles précédents ne l'avaient prédit.

"Peu importe le scénario que nous avons utilisé pour l'effondrement de la calotte glaciaire de l'Antarctique occidental, nous avons toujours constaté que ce mètre supplémentaire d'élévation du niveau de la mer avait eu lieu", a déclaré Pan.

Les chercheurs espèrent que leurs calculs montrent que, pour estimer avec précision l'élévation du niveau mondial de la mer associée à la fonte des calottes glaciaires, les scientifiques doivent incorporer à la fois l'effet d'expulsion de l'eau et la faible viscosité du manteau sous l'Antarctique.

"L'élévation du niveau de la mer ne s'arrête pas lorsque la glace cesse de fondre", a déclaré Pan. « Les dommages que nous causons à nos côtes continueront pendant des siècles. »


Questions scientifiques

Qu'est-ce qui cause un arc-en-ciel?


Un arc-en-ciel dans l'Indiana, octobre 2015.
Source : AP Photo/Michael Conroy

Bien que la lumière semble incolore, elle est composée de plusieurs couleurs : rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo et violet. Ces couleurs sont connues sous le nom de spectre. Lorsque la lumière brille dans l'eau, les rayons lumineux se réfractent ou se plient sous différents angles. Différentes couleurs se plient à différents angles - le rouge se plie le moins et le violet le plus. Lorsque la lumière traverse une goutte de pluie sous un certain angle, les rayons se séparent dans les couleurs du spectre et vous voyez un magnifique arc-en-ciel.

Pourquoi certains objets, comme les portes et les fenêtres, deviennent-ils plus gros et plus petits ?

Avez-vous remarqué que les portes des placards ne se ferment pas aussi facilement en été qu'en hiver ? C'est parce qu'ils se dilatent dans la chaleur de l'été et se contractent pendant l'hiver froid. Tout sur Terre est composé de minuscules particules appelées molécules, qui sont en mouvement constant. Lorsque les molécules se réchauffent, elles se déplacent plus rapidement et s'écartent les unes des autres. Au fur et à mesure qu'ils s'écartent, ils occupent plus d'espace, ce qui fait que même les objets solides deviennent légèrement plus gros. Les molécules ralentissent en refroidissant et prennent moins de place. Cela fait que les choses rétrécissent un peu. (L'eau est une exception. Lorsqu'elle gèle, les molécules s'alignent de telle sorte que la glace prend plus de place.)

Pourquoi les chats retombent-ils toujours sur leurs pattes?

Les chats doivent une partie de leurs neuf vies à leur structure squelettique unique. Les chats n'ont pas de clavicule et les os de leur colonne vertébrale sont plus flexibles que les autres animaux. This makes it easier from them to bend and rotate their bodies easier during a short fall. A fall of two or more floors, however, can seriously injure a cat. A cat's feet and legs usually can?t absorb the impact of a fall from that distance or higher.

What makes popcorn pop?

A popcorn kernel is actually a seed. At its center is a tiny plant embryo, a life form in its earliest phase. The embryo is surrounded by soft, starchy material that contains water. Surrounding the embryo is a hard shell. When the kernel is heated to about 400 degrees Fahrenheit, the water turns to steam. The pressure from the steam causes the kernel?s shell to explode and the starch to spill out. You have to add the butter!

What causes lightning?

When air rises and falls within a thunderstorm, positive and negative charges form in the cloud. The bottom of the thundercloud has a negative charge, and the top has a positive charge. A flash of lightning happens when a charge becomes so strong that the air can?t stop it from jumping from the cloud to the ground, which has a positive charge. Lightning can also form inside the cloud, moving between the positively and negatively charged areas. The average flash of lightning could turn on a 100-watt light bulb for more than three months. The air near a lightning strike is hotter than the surface of the Sun.

Why do I feel dizzy when I spin?

Inside your ears are tubes filled with liquid. The liquid moves when you move, telling your brain what position your body is in. When you spin, the liquid also spins. The liquid continues to spin after you stop. Your brain thinks you?re still spinning, so you continue to feel that everything is going in circles-until the liquid stops moving.

Why does a knuckleball seem to ?dance? toward home plate?

The ball drops and soars unpredictably because it doesn?t spin. The lack of rapid spin turns the seams of the baseball into tiny airfoils?surfaces that create lift and drag when they fly through the air. As the air passes over the seams, tiny swirls are created, causing pockets of low pressure around the surface of the ball. As air rushes in to fill the pockets, the ball is pushed in different directions. If the ball rotates too much, the seams will present a more consistent surface to the wind, and the ball will likewise follow a smoother path.

Why do leaves change color in the fall?


Fall foliage in Vermont, Oct. 2015.
Source: AP Photo/Dave Gram

One of the sure signs of fall (besides the beginning of a new school year) is the change in color of leaves from green to bright yellow, orange and red. Trees are sort of like bears?they store up food during the spring and summer and then rest for the winter. Over the spring and summer, trees use a process called photosynthesis to make food and energy. A green pigment called chlorophyll makes photosynthesis happen. During the fall and winter, there isn?t enough light or water for photosynthesis to occur, so the chlorophyll begins to fade way. As the green disappears, the other colors begin to emerge. These colors were present in the leaves all along, but they were dominated by the chlorophyll

Why does my hair stand on end when I take off my hat on a cold, dry day?

Everything you see is made up of atoms. They contain even smaller particles, called protons and electrons. Protons have positive electrical charges and they never move. Electrons have a negative charge and they move around. Atoms usually have the same number of protons and electrons, so they cancel each other out and atom is neutral?it has no charge. When two things are rubbed together, sometimes the electrons move from one thing to the other. The atom that loses electrons becomes positively charged, and the atom that gets more electrons becomes negatively charged. Two things that have different charges pull toward each other two things with the same charges push away from each other. When you take your hat off, electrons from your hat move on to your hair. Your individual hairs then have the same positive charge, so they move away from each other, and you look really funny.

How does a plane takeoff and fly?


An Alaska Airlines Boeing 737 in flight, Oct. 2015
Source: AP Photo/Ted S. Warren

It?s easy to understand how a bird can fly?it?s lightweight and has wings. But how does a huge airplane get off the ground? The plane?s engine pushes the plane forward. As it moves, air flowing around the wings creates lift. The lift increases as the plane gathers speed. The plane takes off once there?s enough lift to overtake gravity. When the plane?s in the air, thrust from the engines pushes the plane forward.

How do scientists know how to make a flu vaccine if viruses can be different every year?

The flu virus changes every year. However, scientists gather information about virus mutations, or changes, before the flu-virus season begins. This lets them predict what each year?s flu virus might look like. Based on that, a vaccine is made that we hope will be accurate enough to help people fight off major cases of the flu.

What are stem cells?

Stem cells, the basic building blocks of human development, are sometimes called ?magic seeds.? That?s because they can regenerate human tissue of various kinds. The use of stem cells is controversial because the best source for the cells is human embryos. Stem cells form four to five days after an egg is fertilized. These embryos must be destroyed to harvest the cells, and those opposing the research consider this the same as taking human life. Those who support stem cell research say that an embryo that is just a few days old is simply a miniscule cluster of cells and not the same as a human life. They maintain that stem cells have the potential to save human lives. Stem cells show promise in being able to one day be able to treat and cure many illnesses and diseases, such as Alzheimer's, diabetes, Parkinson's, spinal cord injuries and other medical conditions.

Pourquoi les étoiles scintillent-elles ?

We see the stars through the atmosphere. Their light passes through millions of miles of constantly moving pockets and streams of air, which distort the image of the stars. Even though many stars are much larger than planets, they're so far away from us that they seem smaller, like tiny dots. The distortions make it seem as if the shining lights are moving or blinking. In outer space, where there is no atmosphere, stars don't twinkle.

What causes thunder?

When a bolt of lightning shoots through the atmosphere, it heats the air to an amazing 50,000 degrees Fahrenheit in a fraction of a second. The superheated air rapidly expands, cools and then contracts, causing shock waves. These shock waves create sound waves, which we hear as thunder.

Why don't the oceans freeze?

In the Arctic and Antarctic, the oceans do freeze. The ice cap at the North Pole is entirely over ocean the ice, however, is only a few feet deep. Oceans don't freeze solid for because they contain a lot of water, which is constantly circulating around the world. In addition, water flowing from warmer oceans (and from areas near underground volcanoes) takes off some of the chill. Another important factor is that oceans contain salt water, which has a higher freezing point than fresh water.

Why do boats float?

A steel bar dropped into water sinks, but a huge boat made of steel floats. Pourquoi? Most of the space in the boat is taken up by air. The air makes the boat less dense than water. Objects of lesser density float on liquids of greater density. This is also why holes in the bottom of a boat cause it to sink: as air floods out of the boat and water rushes in, the overall density of the boat increases to become more dense than the surrounding water.

What's the difference between bacteria and virus?

Bactéries are tiny, one-celled living organisms that can only be seen with a microscope. They live and breed in warm, moist environments in the body and elsewhere, growing quickly and causing infection. Bacterial infections can usually be treated with an antibiotic. Virus are smaller than bacteria and cannot be seen with a microscope. They grow inside the body and produce toxins (poisons) that can cause rashes, aches and fevers. Viruses cannot be killed with antibiotics.

Why do I have brown eyes?

The genes we inherit from our parents determine things like our height, looks, hair color and eye color. This passing of characteristics from parent to child is called heredity. If your mother has brown eyes, and your father has blue eyes, there?s a good chance you?ll have brown eyes. That?s because the brown-eye gene is dominant, and the blue-eye gene is recessive. The dominant gene usually prevails over the recessive one. It?s possible, however, for you to have blue eyes if both your parents have brown eyes. They probably inherited recessive blue-eye genes from their parents and passed them on to you.


Contenu

Measurements can be made from living plants using specialised equipment. Among the most commonly used instruments are those that measure parameters related to photosynthesis (chlorophyll content, chlorophyll fluorescence, gas exchange) or water use (porometer, pressure bomb). In addition to these general purpose instruments, researchers often design or adapt other instruments tailored to the specific stress response they are studying.

Photosynthesis systems use infrared gas analyzers (IRGAS) for measuring photosynthesis. CO2 concentration changes in leaf chambers are measured to provide carbon assimilation values for leaves or whole plants. Research has shown that the rate of photosynthesis is directly related to the amount of carbon assimilated by the plant. Measuring CO2 in the air, before it enters the leaf chamber, and comparing it to air measured for CO2 after it leaves the leaf chamber, provides this value using proven equations. These systems also use IRGAs, or solid state humidity sensors, for measuring H2O changes in leaf chambers. This is done to measure leaf transpiration, and to correct CO2 measurements. The light absorption spectrum for CO2 et H2O overlap somewhat, therefore, a correction is necessary for reliable CO2 measuring results. [1] The critical measurement for most plant stress measurements is designated by "A" or carbon assimilation rate. When a plant is under stress, less carbon is assimilated. [2] CO2 IRGAs are capable of measuring to approximately +/- 1 μmol or 1ppm of CO2.

Because these systems are effective in measuring carbon assimilation and transpiration at low rates, as found in stressed plants, [3] they are often used as the standard to compare to other types of instruments. [4] Photosynthesis instruments come in field portable and laboratory versions. They are also designed to measure ambient environmental conditions, and some systems offer variable microclimate control of the measuring chamber. Microclimate control systems allow adjustment of the measuring chamber temperature, CO2 level, light level, and humidity level for more detailed investigation.

The combination of these systems with fluorometers, can be especially effective for some types of stress, and can be diagnostic, e.g. in the study of cold stress and drought stress. [5] [2] [6]

Chlorophyll fluorescence emitted from plant leaves gives an insight into the health of the photosynthetic systems within the leaf. Chlorophyll fluorometers are designed to measure variable fluorescence of photosystem II. This variable fluorescence can be used to measure the level of plant stress. The most commonly used protocols include those aimed at measuring the photosynthetic efficiency of photosystem II, both in the light (ΔF/Fm') and in a dark-adapted state (Fv/Fm). Chlorophyll fluorometers are, for the most part, less expensive tools than photosynthesis systems, they also have a faster measurement time and tend to be more portable. For these reasons they have become one of the most important tools for field measurements of plant stress.

Fv/Fm tests whether or not plant stress affects photosystem II in a dark adapted state. Fv/Fm is the most used chlorophyll fluorescence measuring parameter in the world. "The majority of fluorescence measurements are now made using modulated fluorometers with the leaf poised in a known state." (Neil Baker 2004) [5] [7]

Light that is absorbed by a leaf follows three competitive pathways. It may be used in photochemistry to produce ATP and NADPH used in photosynthesis, it can be re-emitted as fluorescence, or dissipated as heat. [2] The Fv/Fm test is designed to allow the maximum amount of the light energy to take the fluorescence pathway. It compares the dark-adapted leaf pre-photosynthetic fluorescent state, called minimum fluorescence, or Fo, to maximum fluorescence called Fm. In maximum fluorescence, the maximum number of reaction centers have been reduced or closed by a saturating light source. In general, the greater the plant stress, the fewer open reaction centers available, and the Fv/Fm ratio is lowered. Fv/Fm is a measuring protocol that works for many types of plant stress. [8] [9] [2]

In Fv/Fm measurements, after dark adaption, minimum fluorescence is measured, using a modulated light source. This is a measurement of antennae fluorescence using a modulated light intensity that is too low to drive photosynthesis. Next, an intense light flash, or saturation pulse, of a limited duration, is used, to expose the sample, and close all available reaction centers. With all available reaction centers closed, or chemically reduced, maximum fluorescence is measured. The difference between maximum fluorescence and minimum fluorescence is Fv, or variable fluorescence. Fv/Fm is a normalize ratio created by dividing variable fluorescence by maximum fluorescence. It is a measurement ratio that represents the maximum potential quantum efficiency of Photosystem II if all capable reaction centers were open. An Fv/Fm value in the range of 0.79 to 0.84 is the approximate optimal value for many plant species, with lowered values indicating plant stress (Maxwell K., Johnson G. N. 2000), (Kitajima and Butler, 1975). [10] Fv/Fm is a fast test that usually takes a few seconds. It was developed in and around 1975 by Kitajima and Butler. Dark adaptation times vary from about fifteen minutes to overnight. Some researchers will only use pre-dawn values. [8] [2]

Y(II) is a measuring protocol that was developed by Bernard Genty with the first publications in 1989 and 1990. [11] [12] It is a light adapted test that allows one to measure plant stress while the plant is undergoing the photosynthetic process at steady-state photosynthesis lighting conditions. Like FvFm, Y(II) represents a measurement ratio of plant efficiency, but in this case, it is an indication of the amount of energy used in photochemistry by photosystem II under steady-state photosynthetic lighting conditions. For most types of plant stress, Y(II) correlates to plant carbon assimilation in a linear fashion in C4 les plantes. En C3 plants, most types of plant stress correlate to carbon assimilation in a curve-linear fashion. According to Maxwell and Johnson, it takes between fifteen and twenty minutes for a plant to reach steady-state photosynthesis at a specific light level. In the field, plants in full sunlight, and not under canopy, or partly cloudy conditions, are considered to be at steady state. In this test, light irradiation levels and leaf temperature must be controlled or measured, because while the Y(II) parameter levels vary with most types of plant stress, it also varies with light level and temperature. [11] [12] Y(II) values will be higher at lower light levels than at higher light levels. Y(II) has the advantage that it is more sensitive to a larger number of plant stress types than Fv/Fm. [ citation requise ]

ETR, or electron transport rate, is also a light-adapted parameter that is directly related to Y(II) by the equation, ETR = Y(II) × PAR × 0.84 × 0.5. By multiplying Y(II) by the irradiation light level in the PAR range (400 nm to 700 nm) in μmols, multiplied by the average ratio of light absorbed by the leaf 0.84, and multiplied by the average ratio of PSII reaction centers to PSI reaction centers, 0.50, [4] [13] [14] relative ETR measurement is achieved. [15]

Relative ETR values are valuable for stress measurements when comparing one plant to another, as long as the plants to be compared have similar light absorption characteristics. [2] Leaf absorption characteristics can vary by water content, age, and other factors. [2] If absorption differences are a concern, absorption can be measured with the use of an integrating sphere. [9] For more accurate ETR values, the leaf absorption value and the ratio of PSII reaction centers to PSI reaction centers can be included in the equation. If different leaf absorption ratios are an issue, or they are an unwanted variable, then using Y(II) instead of ETR, may be the best choice. Four electrons must be transported for every CO2 molecule assimilated, or O2 molecule evolved, differences from gas exchange measurements, especially in C3 plants, can occur under conditions that promote photorespiration, cyclic electron transport, and nitrate reduction. [5] [2] [16] For more detailed information concerning the relationship between fluorescence and gas exchange measurements again refer to Opti-Sciences application note #0509 on Yield measurements.

Quenching measurements have been traditionally used for light stress, and heat stress measurements. [17] [ citation requise ] In addition, they have been used to study plant photoprotective mechanisms, state transitions, plant photoinhibition, and the distribution of light energy in plants. [18] [19] While they can be used for many types of plant stress measurement, the time required, and the additional expense required for this capability, limit their use. These tests commonly require overnight dark adaptation, and fifteen to twenty minutes in lighted conditions to reach steady state photosynthesis before measurement. [19]

Puddle model and lake model quenching parameters Edit

"Understanding of the organization of plant antennae, or plant light collection structures, and reaction centers, where the photosynthetic light reaction actually takes place, has changed over the years. It is now understood that a single antennae does not link only to a single reaction center, as was previously described in the puddle model. Current evidence indicates that reaction centers are connected with shared antennae in terrestrial plants." As a result, the parameters used to provide reliable measurements have changed to represent the newer understanding of this relationship. The model that represents the newer understanding of the antennae - reaction center relationship is called the lake model. [19]

Lake model parameters were provided by Dave Kramer in 2004. [20] Since then, Luke Hendrickson has provided simplified lake model parameters that allow the resurrection of the parameter NPQ, from the puddle model, back into the lake model. [21] [22] This is valuable because there have been so many scientific papers that have used NPQ for plant stress measurement, as compared to papers that have used lake model parameters. [19]

For an in-depth overview of quenching, refer to the OSI quenching application note. It discusses all of the parameters used in lake models by Kramer, Hendrickson, and Klughammer. [21] [22] It also reviews puddle model parameters, and quenching relaxation measurements. [19] Further, a deep review of all existing parameters is provided in Lazar (2015, J. Plant Physiol. 175, 131-147)

OJIP or OJIDP is a dark adapted chlorophyll fluorescence technique that is used for plant stress measurement. It has been found that by using a high time resolution scale, the rise to maximum fluorescence from minimum fluorescence has intermediate peaks and dips, designated by the OJID and P nomenclature. Over the years, there have been multiple theories of what the rise, time scale, peaks and dips mean. In addition, there is more than one school as to how this information should be used for plant stress testing (Strasser 2004), (Vredenburg 2004, 2009, 2011). [2] [23] [24] [25] [26] Like Fv/Fm, and the other protocols, the research shows that OJIP works better for some types of plant stress than it does for others. [ citation requise ]

When choosing the correct protocol, and measuring parameter, for a specific type of plant stress, it is important to understand the limitations of the instrument, and the protocol used. For example, it was found that when measuring Oak leaves, a photosynthesis system could detect heat stress at 30 °C and above, Y(II) could detect heat stress at 35 °C and above, NPQ could detect heat stress at 35 °C and above, and Fv/Fm could only detect heat stress at 45 °C and above. (Haldiman P, & Feller U. 2004) [27] OJIP was found to detect heat stress at 44 °C and above on samples tested. (Strasser 2004) [23]

The relationship between carbon assimilation measurements made by photosynthesis systems of the dark Calvin cycle, and measurements of variable fluorescence of photosystem II (PSII), made by chlorophyll fluorometers of the light reaction, are not always straightforward. [28] For this reason, choosing the correct chlorophyll fluorescence protocol can also be different for C3 et C4 les plantes. It has been found, for example, that Y(II) and ETR are good tests for drought stress in C4 plants, [29] [30] but a special assay is required to measure drought stress in most C3 plants at usable levels. [31] [32] In C3 plants, photorespiration, and the Mehler reaction, are thought to be a principal cause. (Flexas 2000) [16]

These are instruments that use light transmission through a leaf, at two wavelengths, to determine the greenness and thickness of leaves. Transmission in the infrared range provides a measurement related to leaf thickness, and a wavelength in the red light range is used to determine greenness. The ratio of the transmission of the two wavelengths provides a chlorophyll content index that is referred to as CCI or alternatively as a SPAD index. [33] [34] CCI is a linear scale, and SPAD is a logarithmic scale. [33] [34] These instruments and scales have been shown to correlate to chlorophyll chemical tests for chlorophyll content except at very high levels. [33] [34]

Chlorophyll content meters are commonly used for nutrient plant stress measurement, that includes nitrogen stress, and sulfur stress. Because research has shown, that if used correctly, chlorophyll content meters are reliable for nitrogen management work, these meters are often the instruments of choice for crop fertilizer management because they are relatively inexpensive. [35] [36] Research has demonstrated that by comparing well fertilized plants to test plants, the ratio of the chlorophyll content index of test plants, divided by the chlorophyll content index of well fertilized plants, will provide a ratio that is an indication of when fertilization should occur, and how much should be used. It is common to use a well fertilized stand of crops in a specific field and sometimes in different areas of the same field, as the fertilization reference, due to differences from field to field and within a field. The research done to date uses either [ éclaircissements nécessaires ] ten and thirty measurements on test and well fertilized crops, to provide average values. Studies have been done for corn and wheat. One paper suggests that when the ratio drops below 95%, it is time to fertigate. The amounts of fertilizer are also recommended. [35] [36]

Crop consultants also use these tools for fertilizer recommendations. However, because strict scientific protocols are more time consuming and more expensive, consultants sometimes use well-fertilized plants located in low-lying areas as the standard well-fertilized plants. They typically also use fewer measurements. The evidence for this approach involves anecdotal discussions with crop consultants. Chlorophyll content meters are sensitive to both nitrogen and sulfur stress at usable levels. Chlorophyll fluorometers require a special assay, involving a high actinic light level in combination with nitrogen stress, to measure nitrogen stress at usable levels. [37] In addition, chlorophyll fluorometers will only detect sulfur stress at starvation levels. [9] [2] For best results, chlorophyll content measurements should be made when water deficits are not present. [ citation requise ] Photosynthesis systems will detect both nitrogen and sulfur stress. [ citation requise ]


Transport in Plants

Transportation is a process in which a substance either synthesized or absorbed in one part of the body reaches another. In living things, many substances such as food, gases, minerals salts, hormones, and waste products have to be transported from one part of the body to another. Plants require inorganic substances like nitrogen, phosphorous, magnesium, manganese, sodium, etc. Soil provides such substances. In this article, we shall study transport in plants by osmosis and diffusion.

Plants and animals have a system of transporting substances throughout their body. In plants, water is the medium of transport. In higher plants (vascular plants) xylem conducts the water whereas the phloem conducts the food. All parts of the body are connected to these tissues.

To demonstrate Transportation in Plants:

Take a young herbaceous plant (e.g. sunflower) with roots and leaves. Wash the soil off the roots. Place it in a jar of water containing stains like eosin or red ink. After two days, cut sections of the stem and the root and observe it under a microscope. We see rings of red colour. This experiment shows transport of materials in plants.

In plants, water transport minerals salts through special tubes called xylem. Plants have root hairs on their primary and secondary roots. Plants absorb water and minerals salt from the soil with the help of root hairs. They absorb water by the process of osmosis. Osmosis is the movement of water molecules (solvent) from a lower concentration solution to a higher concentration solution through a semi permeable membrane. The concentration of the water molecules is lower in the root hair than in the soil. So the water moves into the root hairs through osmosis. Thus the cell of root hairs become turgid and exert pressure on the adjacent cells. This pressure is called root pressure.

The water and mineral diffuse from one layer to the next layer of cells and eventually reaches the xylem tubes in the centre of the root. Under the effect of root pressure, water and minerals reach xylem and continuously push forward. This root pressure is sufficient to lift water up in shrubs, small plants and small trees.

Demonstration of Osmosis ( Abbe Nollet Experiment):

A thistle funnel with a narrow long stem and wide mouth was taken. A semipermeable membrane is tied tightly around the wide mouth of the funnel. Now the stem of the funnel is filled with a sugar solution to a certain level. Then the thistle funnel is dipped in a beaker containing water with the help of an iron stand such that the broad mouth remains immersed in the water. The apparatus are left undisturbed for some time.

After some time it is observed that there is an increase in the level of sugar solution in the thistle funnel. This shows that there is at the flow of water (solvent molecules) into the solution through the semipermeable membrane. To stop this flow of solvent molecules into solution, we have to apply excess sufficient pressure from stem side of the thistle funnel on the solution. This excess pressure is the osmotic pressure.

Demonstration of Osmosis (Experiment – 2):

An egg has a shell made up of calcium carbonate. Below shell, there is a layer of semipermeable membrane. The calcium carbonate can be dissolved in acid like HCl. Place an egg in a beaker containing acid. Make sure that the egg does not float in acid. Allow it to remain in the acid until the shell completely dissolves. Leave the egg with the dissolved shell in water overnight. Remove the egg the next day and see its size. We will find that the egg will be swollen considerably.

If you carefully pierce the membrane of the egg with a needle, a jet of water will shoot into the air. It shows that the water from acid solution gets into the egg through a semipermeable membrane.

Mineral and salts are absorbed by a process called diffusion. Diffusion is the movement of solute molecules of a solid, a gas or liquid from a region of high concentration region to that of low concentration region.

Difference Between Osmosis and Diffusion:

In osmosis, solvent moves from lower concentration region to higher concentration region. In diffusion, solute particles move from higher concentration region to lower concentration region.

Ascent of Sap:

After reaching xylem tubes water is conducted from the root to the stem and then to the leaves. The continuous columns of water in the xylem tubes do not break due to strong cohesive force between the water molecules. The upward movement of cell sap containing water and minerals salts in a plant is called ascent of sap.

Transpiration:

Water evaporates from the leaves through the opening on them called stomata There are two guard cells at the opening of stomata. These cells control opening and closing of stomata.

The loss of water from the aerial parts of a plant is called transpiration. When transpiration takes place, the leaves lose water and become less turgid, or less swollen. They then absorb water from the xylem tubes in the veins. They pull water from the stem, which in turn pulls water from the roots. This process is called transpirational pull. Transpirational pull works due to the formation of a continuous column of water in the xylem.

The significance of Transpiration:

Minerals salts absorbed by the roots are taken along through this column of water during the ascent of sap and the essential elements needed by the plant reach the leaves and every part of the plant.

When the temperature is high or the atmosphere is dry or when there is an air current, the rate of transpiration becomes high. If there is no sufficient water in the soil, the leaves become less turgid. Transpiration pull is very important for big plants. By this method, water and minerals reach the different part of the body of the big plant. In the night the rate of transpiration is low, hence in night water and mineral transportation takes place by root pressure.

Translocation:

Glucose (sugar) is made in the leaves during the day in presence of sunlight by the process called photosynthesis. This food is required to be transported to other parts of the plant. This transportation of food material takes place through a special tube like tissues phloem in upward and downward direction.

During day glucose is formed and it is formed is converted into starch and stored in the leaves. As the day advances and manufacture of glucose (food) take place, the starch grains become more and more abundant. About the middle of the afternoon, the starch content reaches its maximum.

At night, due to the absence of sunlight plants do not make food. Then the stored starch in the cells of the leaves gets converted back into glucose, which is soluble in water. This sugar solution and other substances move from the leaves to other parts of the plant all through the night. This movement of food substance from leaves to the different parts of the body in the phloem is called translocation.

Before the daybreak, the food-making cells in the leaves are cleared of stored food and they become ready for food manufacture.


How donkeys digging wells help life thrive in the desert

A study has found wells dug by horses and donkeys increased water availability for many native desert species, and decreased the distances between important water sources during dry periods

For thousands of years, horses and donkeys have been some of our species' most important partners.

A new study published Thursday shows they're also friends to desert animals and plants, by digging deep wells that provide a vital source of water, especially at the height of summer.

Biologist Erick Lundgren, lead author of the paper in Science, told AFP he first began noticing the phenomenon while working in western Arizona as a field technician studying river systems.

"People just didn't think it was worthy of scientific attention," said the scientist, who is now at the University of Technology Sydney.

Lundgren had read about African elephants digging wells that were the only source of water for other animals during the dry season, and wanted to know if horses and donkeys might play a similar role in America.

The idea was intriguing, "especially since donkeys and horses are considered agents of biodiversity harm" as they are not native species in the region, he said.

Over the course of three summers, he and his team surveyed sites in the Sonoran Desert that stretches across Arizona and California.

Video sequence of well digging behavior by wild donkeys, and their utilization by other species. Credit: E. Lundgren

They documented the relative contribution of wells dug by horses and donkeys compared to the surface water that was available to animals from desert streams, some of which are intermittent while others are permanent.

The team also set up camera traps to learn how other animals were utilizing the wells.

They found that wells dug by the "equids" to depths of up to six feet (two meters) increased water availability for many native desert species, and decreased the distances between important water sources during dry periods.

The wells were especially important during the hottest and driest parts of summer, when they provided the only available water source at some sites.

Species that flocked to the equid-engineered wells and were caught on camera included mule deers, bobcats, Woodhouse's scrub jay and javelinas

Lundgren said the horses and donkeys acted as "buffers" against the extreme variability of desert streams from year to year.

"The donkey wells kept water in the system. And these features were used by pretty much every species you could picture, including some surprising ones like black bears, that we didn't expect to see in the desert," he said.

Other species that flocked to the wells and were caught on camera included mule deer, bobcats, Woodhouse's scrub jay and javelinas.

The team even spotted some river tree species sprouting from abandoned wells, indicating they also serve a role as plant nurseries.

Horses and donkeys were introduced to the Americas by Europeans to assist with the colonization of the continent, but their use declined with the advent of the internal combustion engine.

This undated image courtesy of Biologist Erick Lundgren shows a bobcat entering an equid well

Since then, they have been studied as "invasion biology," said Lundgren, which does not consider them to be a part of the local wildlife.

But this thinking is too tunnel-visioned and has prevented scientists from having a more nuanced understanding of their effects on their ecosystems, he argued.

Lundgren and his colleagues said in their paper that the wells will be increasingly important as human activity and climate change reduces the number of perennial streams in these regions.

Another element to the story is that the behavior of modern horses and donkeys might have an "ancient precedent," said Lundgren.

Horses, elephants and other large animals that roamed North America until a mysterious extinction event around 12,000 years ago could have once fulfilled a similar role.


Solute Transport in Plants [retour au sommet]

The phloem contains a very concentrated solution of dissolved solutes, mainly sucrose, but also other sugars, amino acids, and other metabolites. This solution is called the sève, and the transport of solutes in the phloem is called transfert.

Unlike the water in the xylem, the contents of the phloem can move both up or down a plant stem, often simultaneously. It helps to identify where the sugar is being transported from (the source), and where to (the sink).

Surprisingly, the exact mechanism of sugar transport in the phloem is not known, but it is certainly far too fast to be simple diffusion. The main mechanism is thought to be the mass flow of fluid up the xylem and down the phloem, carrying dissolved solutes with it. Plants don t have hearts, so the mass flow is driven by a combination of active transport (energy from ATP) and evaporation (energy from the sun). C'est ce qu'on appelle le mass flow theory, and it works like this:

This mass-flow certainly occurs, and it explains the fast speed of solute translocation. However there must be additional processes, since mass flow does not explain how different solutes can move at different speeds or even in different directions in the phloem. One significant process is cytoplasmic streaming: the active transport of molecules and small organelles around cells on the cytoskeleton.

Translocation Experiments [retour au sommet]

1. Puncture Experiments

If the phloem is punctured with a hollow tube then the sap oozes out, showing that there is haute pression (compression) inside the phloem (this is how maple syrup is tapped). If the xylem is punctured then air is sucked in, showing that there is basse pression (tension) inside the xylem. This illustrates the main difference between transport in xylem and phloem: Water is pulled up in the xylem, sap is poussé down in the phloem.

2. Ringing Experiments

Since the phloem vessels are outside the xylem vessels, they can be selectively removed by cutting a ring in a stem just deep enough to cut the phloem but not the xylem. After a week there is a swelling above the ring, reduced growth below the ring and the leaves are unaffected. This was early evidence that sugars were transported downwards in the phloem.

3. Radioactive Tracer Experiments

Radioactive isotopes can be used trace precisely where different compounds are being transported from and to, as well as measuring the rate of transport. The radioactivity can be traced using photographic film (an autoradiograph) or a GM tube. This techniques can be used to trace sugars, ions or even water.

In a typical experiment a plant is grown in the lab and one leaf is exposed for a short time to carbon dioxide containing the radioactive isotope 14 C. This 14 CO2 will be taken up by photosynthesis and the 14 C incorporated into glucose and then sucrose. The plant is then frozen in liquid nitrogen to kill and fix it quickly, and placed onto photographic film in the dark. The resulting autoradiograph shows the location of compounds containing 14 C.

This experiment shows that organic compounds (presumably sugars) are transported downwards from the leaf to the roots. More sophisticated experiments using fluorescently labelled compounds can locate the compound specifically to the phloem cells.

4. Aphid Stylet Experiments

Aphids, such as greenfly, have specialised mouthparts called stylets, which they use to penetrate phloem tubes and sup of the sugary sap therein. If the aphids are anaesthetised with carbon dioxide and cut off, the stylet remains in the phloem so pure phloem sap can be collected through the stylet for analysis. This surprising technique is more accurate than a human with a syringe and the aphid s enzymes ensure that the stylet doesn t get blocked.



Commentaires:

  1. Kyne

    Bravo, ta pensée est tout simplement excellente

  2. Rangford

    Je suis d'accord, cette opinion drôle

  3. Adio

    Je pense que vous n'avez pas raison. Je peux le prouver. Écrivez-moi dans PM, nous en discuterons.



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